某大型電容生產(chǎn)企業(yè)，接到歐美客戶要求將每個(gè)薄膜電容的功耗作為產(chǎn)品的測(cè)試指標(biāo)之一。由于該電容企業(yè)之前沒遇到這種要求，所以沒有合適的測(cè)試系統(tǒng)，而且市場(chǎng)上也沒有成熟的測(cè)試方案。為此，該電容企業(yè)聯(lián)合周立功致遠(yuǎn)電子采用新一代PA300系列高精度數(shù)字功率計(jì)對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行了改造升級(jí)，過程中我們共同攻克了五大難題。

圖1-1 電容自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)

1. 自動(dòng)化測(cè)試I/O通信問題

針對(duì)大規(guī)模的電容測(cè)試，自動(dòng)化測(cè)試是測(cè)試方案的首要條件。該電容企業(yè)現(xiàn)有的測(cè)試系統(tǒng)是數(shù)字I/O通信，而市場(chǎng)上的功率測(cè)試儀器并不支持?jǐn)?shù)字I/O通信，這成了測(cè)試方案的第一大難題。

針對(duì)此，周立功致遠(yuǎn)電子為該電容企業(yè)做了定制化設(shè)計(jì)，更改后PA310全面兼容測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)字I/O通信，具有1個(gè)輸入I/O口、1個(gè)輸出I/O口。當(dāng)被測(cè)電容通過流水線到達(dá)測(cè)量位置時(shí)，位置檢測(cè)夾具發(fā)出一個(gè)脈沖給功率計(jì)的輸入I/O，觸發(fā)PA310進(jìn)行功率測(cè)量，功率計(jì)將測(cè)量值與預(yù)先設(shè)置好的功率參考值對(duì)比判斷被測(cè)電容是否合格，電容合格則通過，不合格則發(fā)出一個(gè)脈沖，使執(zhí)行器將電容移到不合格箱子里，實(shí)現(xiàn)完美的自動(dòng)化測(cè)試。

2. 功率因數(shù)角φ將近90°

待測(cè)電容的功率因數(shù)角φ=arcos((0.0028/5.8)/3.14*180)=89.97°。因?yàn)殡娙莨β适歉鶕?jù)這個(gè)偏差φ進(jìn)行運(yùn)算的，因此測(cè)試儀器需要具有0.01°的相位角分辨率，才能準(zhǔn)確測(cè)量電容的功率。而且在儀器本身的模擬通道中，電壓、電流產(chǎn)生不同的相移△φ也會(huì)影響功率因數(shù)角φ的測(cè)量。

圖1-2 功率因數(shù)角

PA310 高精度數(shù)字功率計(jì)內(nèi)部采用了100MHz同步采樣時(shí)鐘，保證了相位角接近90°時(shí)，依然能達(dá)到0.01°的分辨率。并通過標(biāo)準(zhǔn)源和數(shù)學(xué)建模運(yùn)算，使硬件上電壓電流通道的相位差為零，同時(shí)對(duì)各個(gè)量程的相位校準(zhǔn)，使在每個(gè)量程測(cè)試的功率值完全一致，從而消除PA310本身相移的影響，精準(zhǔn)測(cè)量待測(cè)電容的功率因數(shù)角。

3. 電容電流低于30mA

待測(cè)電容的電流，電容內(nèi)部電感L、電阻R 等寄生參數(shù)的影響，使低于30mA電流會(huì)有輕微的震蕩。另外，由于電流本身的值小，經(jīng)過外部連接線，又會(huì)耦合外部的噪聲，影響電流的測(cè)試。

微小電流測(cè)量，正是PA310功率計(jì)發(fā)揮作用的場(chǎng)合，它采用高精度模擬電路，從硬件上保證信號(hào)的調(diào)理與采集，最大限度降低原始信號(hào)的失真度;并采用全新雙分流技術(shù)，使PA310在50uA到20A范圍具有0.1%的測(cè)試精度。所以，PA310能夠完全準(zhǔn)確地測(cè)量低于30mA的電容電流。

圖表 1-3 PA310數(shù)字功率計(jì)測(cè)試結(jié)果

4. 每0.4s測(cè)試一個(gè)電容

測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試速度大概是100 個(gè)/分鐘，也就是0.6s 測(cè)試一個(gè)電容。實(shí)際上，在這整個(gè)過程中有1/3 的時(shí)間是用于電容通電后的穩(wěn)定，余下2/3 的時(shí)間才能進(jìn)行電流采集。而電流采集的時(shí)間還需考慮電容通電結(jié)束時(shí)的不穩(wěn)定情況，真正對(duì)一個(gè)電容的測(cè)試時(shí)間根本不足0.4s。

新一代PA310數(shù)字功率計(jì)采用了高效的FPGA+DSP設(shè)計(jì)架構(gòu)，利用FPGA 的高速邏輯控制及DSP 的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力，高效精確的進(jìn)行數(shù)據(jù)采集運(yùn)算，快速對(duì)測(cè)試信號(hào)做出響應(yīng)，保證在不足0.4s情況下，也能準(zhǔn)確測(cè)量每一個(gè)電容的電流。

5. 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)存在大量高頻干擾

電容企業(yè)生產(chǎn)線上有大量的機(jī)電執(zhí)行機(jī)構(gòu)，存在著大量的工頻高次諧波。對(duì)測(cè)試設(shè)備會(huì)造成很大的干擾，存在測(cè)試的不穩(wěn)定因素。

PA310高精度數(shù)字功率計(jì)采用了工業(yè)四級(jí)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，能夠屏蔽測(cè)試中的高頻干擾，并經(jīng)過EMI/EMC電磁兼容實(shí)驗(yàn)室的層層檢測(cè)，保證在各種嚴(yán)劣的測(cè)試環(huán)境中依然高精度穩(wěn)定工作。